소량의 첨가제에 의한 역미셀간 상호작용의 제어

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

김봉규, 최진성, 이은주, 이성식

동아대학교 공과대학 재료금속화학공학부

Control of Interaction between Reverse Micelles

by Addition of small amounts of Additives

Bong-Kyu Kim, Jin-Sung Choi, Eun-Joo Lee, Sung-Sik Lee

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Division of Metallurgical and Chemical Engineering College of Engineering,

Dong-A University

서론

생체막, 생체촉매, 마이크로 생물유기체등의 다양한 생물학적 기능을 이용한 새로운 공정들에 관한 연구가 높은 선택성, 고효율, 고기능 및 에너지 절약의 관점으로부터 많이 시도되고 있다. 그 중에서도 역미셀은 생체막의 가장 간단한 모델로서 다양한 생체분자의 분리장 또는 반응장으로 활용하고 있다. 계면활성제와 같은 양친매성 물질이 유기상 중에서 자기 집합적으로 형성하는 역미셀은 물, 오일 그리고 계면활성제의 혼합물로, 열역학적으로 안정한 물질이다. 역미셀에서 물은 오일로부터 분리되어 계면활성제의 단일층에 의해 둘러싸인 나노미터 크기의 구형의 액적을 형성하며, 액적 내에 다양한 생체고분자를 가용화할 수 있는 능력을 가지고 있다. 이러한 특징 때문에 역미셀계는 발효배지 또는 배양액으로부터의 단백질의 추출계, 효소를 위한 소수성 반응) 그리고 반도체 초미립자 등의 기능성 재료의 조제 등 많은 방면으로의 응용이 시도되고 있다.

역미셀에 의한 단백질의 분리는 일반적으로 수상의 pH, 이온 강도 그리고 염의 종류 등과 유기상의 계면활성제의 종류와 농도, 보조 계면활성제의 유·무 그리고 용매의 종류 등에 영향을 받는다. 이들 파라미터 외에도 단백질과 미셀간의 정전기적, 소수적 그리고 구조적 상호작용 등이 역추출율에 영향을 미친다. 이들 상호작용 중에서 특히, 정전기적 상호작용은 정추출 과정에서 주된 추진력이다. 그러나 단백질 역추출 프로세스에서는 역추출 효율과 활성수율이 감소하며 정추출 속도 보다 역추출 속도가 매우 낮은 등의 많은 문제가 있다. 이것은 단백질과 미셀간의 강한 정전기적 상호작용으로 인해 단백질이 비가역적으로 구조 변화를 일으키거나 효소가 활성을 잃기 때문이다.

역추출 프로세스의 개선을 위한 연구들은 계면활성제와 용매의 종류와 농도, 그리고 보조 계면활성제의 첨가 등과 같은 유기상의 조건을 조절하거나 또는 pH, 염의 종류와 농도등의 수상의 조건을 조절하는 방법등이 있으며, 또한 계 전체의 온도 또는 압력을 조절하는 방법 등이다. 그러나 역미셀을 이용한 단백질의 추출 공정에서 미셀 클러스터를 유도하는 미셀-미셀간 상호작용이 가장 중요한 문제점 중의 하나이다.

최근에 역미셀계의 퍼콜레이션 현상을 통해 역미셀 계면의 특성을 파악하고자 하는 연구가 진행 중이다. 퍼콜레이션 공정은 미셀-미셀간 상호작용에 의해 일어나는 미셀 클러스터의 형성을 반영하며, 역미셀계의 전기전도도 측정법에 의해 쉽게 정량화 될 수 있으며, 계에서 일어나는 미셀의 구조 변화를 추측하는데 이용되어 왔다. 그러나 첨가 물질들에 의한 미셀 클러스터의 조절 효과들은 아직 명확하게 밝혀져 있지 않다.

본 연구는 역추출 프로세스의 개선을 위해 역미셀의 미셀클러스트의 형성을 제어하기 위하여 다양한 물질의 첨가가 역미셀의 구조변화에 미치는 영향을 실험 조사하였다. 첨가제는 단백질, 알코올, 지방산 분자, 비이온계면활성제 및 고분자로 이들 물질의 소량 첨가로 인하여 AOT-역미셀의 구조 변화를 퍼콜레이션 프로세스를 통해 정량적이고 체계적으로 평가하였다.

본론

1. 실  험

1.1 시 료

Wako Pure Che. Ind., Ltd. (Osaka, Japan)로부터 95）의 AOT(sodium di[2-ethylhexyl] sulfosuccinate)를 정제 없이 그대로 사용하였다.

각 완충용액의 염의 농도는 10mM로 하였으며, pH는 acetic acid/acetate (pH4-6), tris/HCl (pH7-9) 그리고 glycine/NaOH (pH10-11.7)로 조절하였다. 첨가제로는 카르복실산, 치올, 사이크로텍스트린, BSA 및 Cytochrome C 등을 각각 사용하였다.

1.2 퍼콜레이션 프로세스

역미셀계의 전기전도도는 TOA Electronic Ltd.의 전기전도계 CM-40V와 백금 전극으로 함수량 (Wo)의 함수로 측정하였다. 전극은 역미셀 용액이든 시험관 안에 넣어지고 시험관은 항온조(25±0.1℃) 내에 위치한다. 전기 전도도 측정법은 AOT/isooctane, AOT-Additive/isooctane 용액에 일정한 pH의 완충용액을 주입하여 퍼콜레이션 현상이 일어날 때까지 그 변화를 관찰하였다. 전도도가 급격히 증가하기 시작하는 지점으로 정의되어지는 퍼콜레이션 시발점은 전체 용액의 부피에 대한 주입된 완충용액의 부피비 □aq(=Vaq/(Vorg+Vaq))로 결정하였다. AOT-역미셀계에 첨가물이 용해되어 있는 완충용액을 가용화 한 경우와 완충용액만을 가용화한 경우의 퍼콜레이션 시발점은 각각 □t 와 □p 로 정의하였다.

2. 결과 및 고찰

2.1 퍼콜레이션 프로세스에 미치는 카르복실산 첨가의 영향

Fig. 1. Effect of concentration of carboxylic acid on the percolation processes.

Fig. 2. Effect of concentration of carboxylic acid on the percolation thresholds.

Fig. 1은 지방산 분자를 첨가한 AOT-역미셀계에서의 퍼콜레이션 거동을 나타낸 것이다. BuCOOH가 첨가된 역미셀계의 경우에는 퍼콜레이션 시발점이 감소하였으나, PenCOOH의 첨가의 경우에는 퍼콜레이션 시발점이 증가하였다. 즉 역미셀계에 첨가된 BuCOOH는 미셀간의 인력적인 상호작용을 증가시키는 반면에, PenCOOH의 첨가는 미셀간의 인력적인 상호작용을 감소시킨다는 것을 의미한다. 즉, 미셀-미셀간 상호작용은 유기상에 첨가된 지방산의 종류와 농도에도 크게 영향을 받는다는 것을 알 수 있다. 퍼콜레이션 시발점 역시 첨가된 지방산의 종류와 농도에 영향을 받는다. 이러한 결과들은 AOT-역미셀계에 첨가된 지방산 분자들이 미셀의 구조에 영향을 미쳐 미셀 막의 유동성이 변화된 것이라 생각된다.

□□p(=□t-□p)는 퍼콜레이션 프로세스에서 지방산의 농도 효과를 나타내고 있다. 여기에서 □t 와 □p 는 각각 지방산을 첨가 또는 첨가하지 않은 경우의 퍼콜레이션 시발점 값이다. 상대적인

Fig. 3. The correlation between the value of the log P and □t of carboxylic acids and thiols.

퍼콜레이션 시발점과 첨가된 지방산의 농도와의 상관관계에 대해 검토하였다. Fig. 2는 AOT-역미셀계에 첨가한 지방산의 농도에 대한 □□t 의 상관관계에 대한 플로트이다. □□t 와 각 지방산과의 농도 사이에는 선형적인 상관관계가 있다. 이 선형적인 직선의 기울기 (□t)는 미셀간의 인력적인 상호작용에 의한 미셀 클러스터의 형성에 대한 지방산 분자의 첨가 효과로 정의한다. 플러스 값의 □t는 지방산 분자의 첨가로 인한 역미셀계의 안정화, 또는 미셀클러스트 형성의 억제를 의미하며, 마이너스 값의 □t는 지방산 분자의 첨가로 인한 역미셀계의 불안정화, 또는 미셀클러스트 형성의 촉진을 의미한다.

2.2  역미셀간 상호작용에 미치는 다양한 첨가제의 영향

Fig. 4. The correlation between the value of HLB and □t of nonionic surfactants.

Fig. 5. The correlation between the molecular weight of cyclodextrin and □t.

카르복실산류, 치올류, 사이크로텍스트린, BSA 및 Cytochrome C 등의  각각 첨가 유무에 따라 역미셀간 상호작용인 □t 값을 같은 방법으로 구하였다. Fig. 3은 여러 가지 카르복실산과 치올분자들의 □t 값과 소수성(log P)과의 상관관계를 나타내었다. 첨가되는 이들 분자의 소수성에 비례하여 미셀-미셀 상호작용이 억제됨을 알 수 있다.

Fig. 4는 비이온계면활성제의 첨가 유무에 따른 □t 값과 첨가제의 HLB의 상관관계를 나타내었다. 첨가되는 비이온계면활성제 중에 소수성이 강할수록 미셀간 상호작용이 억제되며, 친수성이 강할수록 미셀간의 상호작용이 증가함을 알 수 있다. Fig. 5는 시크로덱스트린류의 □t 값과 분자량과의 상관관계를 프롯트 하였다. 이들은 고분자의 분자량이 증가할수록 미셀간의 상호작용이 억제되었다. 이는 고분자의 첨가가 역미셀의 이동성이나 유동성에 영향을 주기 때문으로 생각된다. Fig. 6은 BSA와 Cytochrome C를 가용화 하였을때의 □t 값과 pH와의 관계를 나타내었다. BSA는 □t 값이 양의 값을 Cytochrome C 값은 음의 값을 나타내었다. 이는 단백질의 정전기적 상호작용이 미셀상호작용의 주요한 인자임을 알 수 있다.

결론

Fig. 6. The correlation between pHinj- pI and □t.

AOT 역미셀간의 상호작용에 의한 역미셀의 구조변화에 미치는 첨가제의 영향을 실험 조사하였다.

1. 여러 가지 첨가제의 첨가는 미셀-미셀간 상호작용 (□pr)에 영향을 미친다

2. 지방산 및 치올 분자의 첨가는 역미셀의 구조변화 에 영향을 미치며. 첨가물의 소수성 (log P)의 증가할수록 에 의존하여 미셀간의 상호작용이 억제되었다.

3. 비이온계면활성제는 HLB 값이 작을수록  고분자물질은 분자량이 클수록 미셀간의 상호작용이 억제되었다.

참고문헌

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화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년